航空碳纖維復(fù)合材料的切削探究

宋興龍

[摘 要]碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)越的材料特性，被廣泛的應(yīng)用到了航空領(lǐng)域。但因為其材料成分和結(jié)構(gòu)特殊、復(fù)雜，也是機(jī)械加工的難點。其加工過程中易出現(xiàn)毛刺、拉絲、崩塊等缺陷等等而導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料基體表面產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，影響表面質(zhì)量。因此，對高碳纖維復(fù)合材料的切削問題進(jìn)行探討對于其切削工藝的提高具有重要的意義和價值。

[關(guān)鍵詞]航空；碳纖維復(fù)合材料；切削成型方法；刀具選用

中圖分類號：V257 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）27-0130-01

作為先進(jìn)復(fù)合材料的典型代表， 碳纖維復(fù)合材料具有較高的比剛度和比強(qiáng)度等優(yōu)異特性，是一種結(jié)構(gòu)、功能一體化復(fù)合材料，在玩過的航天制造業(yè)以及國防裝備但中具有無法取代的作用，同時在低碳綠色生活和節(jié)能減排的發(fā)展以及多樣化能源利用率提高等方面都具有積極的促進(jìn)作用。但是，因為與金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)特點具有較大的差異，因此在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出層狀形態(tài)，同時在各向性能上具有較大的差別，纖維軸方向上的強(qiáng)度很高，因此在對其進(jìn)行切削加工的過程中，很容易出現(xiàn)刀具磨損快、刀具耐用度低，出現(xiàn)撕裂和分層等缺陷。就當(dāng)前來看，我國的航空碳纖維復(fù)合材料切削加工方面的研究依然處在起步時期，相關(guān)的研究也僅僅限于切削機(jī)理、刀具磨損機(jī)理等基礎(chǔ)研究方面，很多時候關(guān)于碳纖維復(fù)合材料制件切削加工的切削參數(shù)以及工藝設(shè)計的選擇主要結(jié)合個人的經(jīng)驗，缺少工藝優(yōu)化，因此使得碳纖維復(fù)合材料制件的切削加工質(zhì)量、加工效率和加工成本收到了直接的影響。所以，對航空碳纖維符合材料的切削工藝進(jìn)行研究和探討具有重要的價值和意義。

一、航空碳纖維復(fù)合材料切削加工的成型方法

切削加工實質(zhì)是利用刀具或磨具去除工件上多余的材料層得到相應(yīng)的尺寸、幾何形狀和表面質(zhì)量的一種加工手段。因此，在探索碳纖維復(fù)合材料切削加工中，應(yīng)該深入了解加工成型的方法和特征。

（一）進(jìn)行鋪層設(shè)計

鋪層設(shè)計包括鋪層角度、鋪層順序、鋪層的層數(shù)的設(shè)計，它不僅是碳纖維復(fù)合材料成型的關(guān)鍵，而且直接決定材料性能和強(qiáng)度的主要工序。在材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)首先滿足支撐桿軸向膨脹系數(shù)和強(qiáng)度的要求，再結(jié)合根據(jù)材料的實用性和加工方法選取軸向與沿管周鋪設(shè)兩種形式。因為復(fù)合材料的各向異性非常的分突出，同時碳纖維軸向上集中了材料的物理性和力學(xué)性，所以在不同的鋪層比例設(shè)計上會得到不同的膨脹系數(shù)。最后，結(jié)合復(fù)合材料鋪層工藝性和強(qiáng)度要求，對鋪層的順序進(jìn)行確定。

（二）對表面質(zhì)量進(jìn)行分析

應(yīng)用袋壓工藝成型的管件經(jīng)常會出現(xiàn)皺折、富膠和條紋的現(xiàn)象。因此給復(fù)合材料鋪層時一定要對預(yù)浸料疊層塊施加足夠的力，以確保防止出現(xiàn)復(fù)合材料松散以及結(jié)構(gòu)尺寸加厚的問題。在工序中要注意在成型時期對各層復(fù)合材料進(jìn)行加壓，確保樹脂的排出。碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量問題都出現(xiàn)在加壓的工序中，因此我們在操作的過程中一定要注意在復(fù)合材料疊層塊壓緊的過程中壁厚會減小，其周長也會相應(yīng)的減小，因此，在鋪層工藝時一定要最大限度的壓實復(fù)合材料層，避免出現(xiàn)外觀質(zhì)量問題。

（三）熱縮工藝

在高溫固化的狀態(tài)下，熱縮材料可以很好的將熱壓力進(jìn)行傳遞，并能夠使皺折對復(fù)合輔助材料的影響消除。同時，熱縮工藝需要一定的溫度環(huán)境，以確保收縮和壓實的質(zhì)量。熱縮工藝中最重要的質(zhì)量參數(shù)是加熱時間和對溫度的控制，在確定熱縮工藝時以熱縮材料的收縮性能為根據(jù)，并充分考慮模具的熱容滯后因素，對具體的復(fù)合材料制件靈活運用。

（四）預(yù)膠工藝

預(yù)吸膠工藝就是將預(yù)壓實工藝與熱縮工藝相互配合使用，我們在進(jìn)行固化前都在適當(dāng)?shù)臏囟葔毫ο聦?fù)合材料的疊層進(jìn)行吸取樹脂的工序，這樣做的主要目的是對復(fù)合材料中的樹脂含量進(jìn)行控制。在整個工藝的制定過程中要保證工藝的合理性，在完成吸膠工序的同時，還要達(dá)到壓實的目的，同時更要減少對復(fù)合料凝膠性的影響。

二、碳纖維復(fù)合材料刀具切削部分組成及刀具材料的選用

刀具切削部分的組成有刀刃和刀面。在切削過程中，刀刃起著主要的切削作用，而刀面是其主要構(gòu)造之一。刀具材料是指在切削加工中起切削作用部分的材料，其材料的不同，切削性能也不一，直接影響著刀具的使用壽命和加工表面質(zhì)量等。因此，切削碳纖維復(fù)合材料中，掌握刀具切削部分的組成，分析刀具材料性能對切削質(zhì)量的影響，對提高加工效率和加工質(zhì)量有著積極的意義。

（一）刀具切削部分的組成

切削刀具的種類繁多，形狀復(fù)雜，但卻有共同的特征。車刀是最簡單的刀具，其他刀具則可認(rèn)為是車刀的演變和組合。因此以普通外圓車刀為代表來確定切削部分的基本定義，也必然適合用于其他刀具。車刀由刀桿和刀頭兩部分組成，其切削部分組成要素的名稱和定義如下：

前刀面A：一切削沿其流出的刀面；

主后刀面An一與工件加工表面相對的刀面；

副后刀面A”n一與工件已加工表面相對的刀面；

主刀刃一前刀面與主后刀面的交線，它負(fù)擔(dān)主要切削工作；

副刀刃一前刀面與副后刀面的交線，它配合主刀刃最終形成已加工表面；

刀尖（過渡刃）一主刀刃與副刀刃的交點。為了加強(qiáng)刀尖的強(qiáng)度，一般將刀尖做成圓弧。

（二）刀具材料

通常刀具起切削作用的部分為刀具材料。它的性能是影響加工表面質(zhì)量、切削效果、刀具壽命和加工成本的重要因素。目前，在機(jī)械制造加工中常用的刀具材料有高速鋼、硬質(zhì)合金刀和涂層刀具。

結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料屬難加工材料，其加工過程中易產(chǎn)生分層、撕裂、毛刺、拉絲、崩塊等缺陷，尺寸控制比較困難，加工時刀具溫度很高，極易產(chǎn)生發(fā)熱堵塞，從而導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料基體表面產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，影響表面質(zhì)量。因此，選擇合適的切削刀具以及刀具的材料，對提高碳纖維復(fù)合材料加工用刀具耐用度和切削加工質(zhì)量具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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